1,第三章 电力电子器件 及其应用,王俭朴 车辆工程系城市轨道车辆教研室,2,第三章 电力电子器件及其应用,主要内容 可关断晶闸管(GTO) 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 智能功率模块功率 (IPM) 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,3,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的特点 GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小40%以上，重量也大为减轻。 由于GTO逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了64左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的。 GTO与SCR的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体管的放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使SCR导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；GTO则不同，总的放大系数仅稍大于1而近似等于1，因而处于临界导通或浅饱和状态。,4,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的工作原理 GTO对门极触发脉冲的要求和SCR的要求相似，但它对关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏GTO器件，因此门极控制电路比较复杂。 此外GTO的饱和度较浅，所以管压降也比SCR大，为保护管子而设置的电路(缓冲电路)中的损耗也较大。由于二只晶体管的电流放大倍数 仅稍大于1，且 比 小得多，因此集电极电流 占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使GTO关断。,图3-1 晶闸管和GTO的工作原理,5,第一节 可关断晶闸管(GTO),把GTO接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲和足够大的负脉冲时，GTO就能导通和关断，GTO的符号及电路如图3-2(a)所示，波形如图3-2(b)所示。,图3-2 GTO的符号、电路与波形(a) 符号与触发电路 (b) 门极和阳极电流波形,6,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图,(a) GTO的关断电路 (b) 关断时的波形,7,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 阳极伏安特性 逆阻型GTO的阳极伏安特性。由图可知，它与SCR的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，GTO即正向开通，这种现象与SCR及其家族基本相同，称为电压触发。此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件。非逆阻型GTO则不能承受反向电压。 GTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的升高，GTO的耐压会下降，如图所示。,8,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 通态压降特性GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTO的通态损耗也增加。 GTO的开通特性 元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程。GTO的开通特性如图所示。 开通时间由延迟时间和上升时间组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。,9,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 GTO的关断特性 GTO关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系是GTO的关断特性; 关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间 ；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的尾部时间三者之和。,10,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要参数 可关断峰值电流 一般可关断峰值电流是有效值电流的23倍； GTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制。 关断时的阳极尖峰电压尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的电流变化率与GTO缓冲保护电路的电感的乘积。 阳极电压上升率 静态电压上升率是指GTO还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。 动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极电压上升率。 阳极电流上升率,11,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路 GTO关断过程的机理及其波形 对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难。GTO门控电路的基本要求就是从门极排出P2基区中(见图3-3(a)过剩的载流子(空穴)，这就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使P2基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与N2发射极间的J3结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在P2基区和J3结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，如图3-10所示。,12,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO关断过程的机理图其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，GTO就被关断。由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。,图3-10（a)关断时空穴从门极抽出 (b) 耗尽层的形成,13,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO导通与关断过程波形图,图3-11（a)阳极电压、电流波形 （b) 门极电压、电流波形,14,第一节 可关断晶闸管(GTO),设计门控电路时，保证GTO关断电路中的储能电容器具有电容量的确定：由图3-11可见，由门极反向电流 所包围的门极关断电荷量为由于关断时间为 ，且门极关断电流的峰值约为(1/51/3)的可关断峰值电流 ，故有所以设计门控电路时，应保证GTO关断电路中的储能电容器具有电荷量：已知电容电压 ，即可求得关断GTO所需的电容量C,15,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路 GTO门控电路的基本参数 正向强触发电流 触发电流脉冲宽度 触发电流上升率 正向偏置电流 门极反向电流幅值 门极反向电流上升率 门极反向电压 关断脉冲宽度,16,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的门控电路 GTR的GTO门控电路输入正脉冲信号使T1导通，电源E1经T1、R1(C1)、R2使GTO导通，同时E1储能电容C2振荡充电。当T2的基极加以关断信号off时，T2导通，C2经L2、T2、GTO门极放电，使GTO关断。与门极并联的稳压管支路用来改善关断脉冲的波形，关断时导通的T3构成T3、D4支路，使GTO加上负偏置，增进关断可靠性。,图3-12 用GTR的GTO门控电路原理图,17,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路 用MOSFET的GTO门控电路,18,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),复合型电力电子器件IGBT是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的简称，它综合了GTR的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低和金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好的优点。 IGBT的工作原理 IGBT是以MOSFET为驱动元件、GTR为主导元件的达林顿电路结构器件。它相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区GTR。 一般的IGBT模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力。 IGBT的控制原理与MOSFET基本相同，IGBT的开通和关断受栅极控制，N沟道型IGBT的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，IGBT内的MOSFET的漏极与源极之间因此感应产生一条N型导电沟道，使MOSFET开通，从而使IGBT导通。反之，如在N沟道型IGBT上加反偏置，它内部的MOSFET漏源极间不能感生导电沟道，IGBT就截止。,19,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的工作原理 1GBT的等效电路及图形符号,图3-14 1GBT的等效电路及图形符号 (a)简化等效电路 (b) 二种图形符号 (c) 实际等效电路,20,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),静态与动态特性 伏安特性 伏安特性即输出特性，N-IGBT的伏安特性如图3-15(a)所示。 截止区即正向阻断区，栅极电压没有达到IGBT的开启电压VGS(th)。 放大区即线性区，输出电流受栅源电压的控制，VGS越高、ID越大，两者有线性关系。 饱和区，此时因VDS太小，VGS失去线性控制作用。 击穿区，此时因VDS太大，超过击穿电压BVDS而不能工作。,图3-15 1GBT的伏安特性和转移特性（a)伏安特性示意图 (b) 实际的伏安特性 (c) 转移特性,21,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),静态与动态特性 转移特性如在图3-15(b)横轴上作一条垂直线（即保持VCE为恒值）与各条伏安特性相交，可获得转移特性。这是漏极电流与栅源电压VGE之间的关系曲线，如图3-15(c)所示。 动态特性IGBT在开通和关断过程中，漏源电压 、栅源电压 和漏极电流 的变化情况。开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成。,22,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),擎住效应 概念由于IGBT结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图3-14(c)所示，内部存在一只NPN型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使PNP管也饱和导通，结果IGBT的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。 危害IGBT发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。 如何防止 不使漏极电流超过 ，防止静态擎住效应； 还可用加大栅极电阻的办法，延长IGBT的关断时间。防止动态擎住效应。,23,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),擎住效应 正向偏置安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成 最大漏极电流是按避免擎住效应而由制造时确定的； 最高漏源电压是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压规定的； 最高功耗由最高允许结温所规定。 反向偏置安全工作区 它随IGBT关断时的重加 而改变， 数值越大，越容易引起IGBT的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。（a）正向安全工作区 (b) 反向安全工作区,24,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路 IGBT栅控电路的要求 提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关断； 提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通； 输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率； 输入、输出电气隔离性能高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘； 具有灵敏的过电流保护能力。 IGBT栅控电路的一些注意事项 栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了使IGBT能稳定可靠地工作，还需要负偏压。负偏压通常取-5V或者稍大一些。 IGBT栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制IGBT的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长IGBT的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的可使电流变化率太大而引起IGBT的不正常或损坏。 为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的光耦合器件。 IGBT门极与发射极的引线应尽量短 ，以减少栅极电感和干扰信号的进入。,25,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),用光耦器件隔离信号电路与栅控电路图3-19中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。栅控电路由MOSFET及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置。当输入信号为高电平时，光耦导通，MOSFET截止，T1导通，使IGBT迅速开通。当输入信号为低电平时，光耦导通截止，MOSFET及T2都导通，IGBT截止。,